JP3536454B2 - ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、インバータを備えた
圧縮機を有し、逆サイクルデフロスト運転を行うヒート
ポンプシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えばセパレート形空気調和機において
は、冬期の暖房運転時に蒸発器として機能する室外熱交
換器が気温の低い屋外に設置されていることから、これ
に着霜を生じる場合がある。そして室外熱交換器に着霜
を生じると熱交換能力が低下するのに伴って暖房能力も
低下するため、暖房運転を一時的に中断してデフロスト
（除霜）運転を行う必要がある。このデフロスト運転を
行う手法として逆サイクルデフロスト運転があり、これ
は冷媒回路中に設けられた四路切換弁を用いて冷媒の流
れを逆サイクルに切り替えて、室外熱交換器を凝縮器と
して機能させることにより付着した霜を除去しようとす
るものである。そしてこの逆サイクルデフロスト運転に
よれば、冷媒回路に特別な部材あるいは冷媒経路等を付
加する必要がないため、構成が簡素となってコストアッ
プを回避できると共に安定な動作を容易に得ることがで
きる。

【０００３】ところが上記四路切換弁の切り替えを不用
意に行うと、耳障りなショック音を発生することがあ
る。図５は、このショック音の発生を説明するための図
であり、同図（ａ）は暖房運転時における四路切換弁の
状態を示し、また同図（ｂ）は逆サイクルデフロスト運
転時における四路切換弁の状態を示している。同図
（ａ）に示すように、暖房運転時には四路切換弁２のＡ
ポート２ａとＢポート２ｂとが連通して圧縮機１の吐出
側と室内熱交換器５の入口側とを接続し、またＣポート
２ｃとＤポート２ｄとが連通して室外熱交換器３の出口
側と圧縮機１の吸込側とを接続している。従ってＡポー
ト２ａ及びＢポート２ｂが高圧側となり、Ｃポート２ｃ
及びＤポート２ｄが低圧側となっている。一方、逆サイ
クルデフロスト運転時には、同図（ｂ）に示すように、
Ａポート２ａとＤポート２ｄとが連通して圧縮機１の吐
出側と室外熱交換器３の入口側とを接続し、またＢポー
ト２ｂとＣポート２ｃとが連通して室内熱交換器５の出
口側と圧縮機１の吸込側とを接続している。従ってＡポ
ート２ａ及びＤポート２ｄが高圧側となり、Ｂポート２
ｂ及びＣポート２ｃが低圧側となっている。そのため同
図（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す状態へと瞬時
に切り替えたとすると、高圧側となっているＡポート２
ａ及びＢポート２ｂが、それぞれ低圧側となっているＤ
ポート２ｄ及びＣポート２ｃと連通されることになる。
すると連通されたポート間の圧力差によって高圧側ポー
ト２ａ、２ｂから低圧側ポート２ｃ、２ｄへと急激に冷
媒が流通し、これによって上記ショック音が発生するの
である。またこれは、同様の理由によって同図（ｂ）の
状態から同図（ａ）の状態へと切り替える際にも生じ得
るものである。

【０００４】そこでこの耳障りなショック音が発生する
のを防止するため、連通されるポート間の均圧化処理を
行った後に、上記四路切換弁２を切り替えるようにする
制御がヒートポンプシステムの従来例において採用され
ている。図４は、上記従来例におけるその制御を説明す
るためのタイムチャートである。同図に示すように、四
路切換弁２を切り替えて運転モードを暖房運転からデフ
ロスト運転に切り替える際、あるいはデフロスト運転か
ら暖房運転に切り替える際に、圧縮機１を一時的に停止
させている（同図に示すＡ、Ｂ）。この停止時間は約３
０秒〜６０秒程度であって、この間に四路切換弁２のポ
ート間における圧力差が解消されるようになっている。
従ってその後に四路切換弁２を切り替えて圧縮機１を再
起動させても冷媒の急激な流通は生じず、これによって
耳障りなショック音を防止できるようになっているので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
例においては、運転モード切り替え時における圧縮機１
の停止期間中（図４に示すＡ、Ｂ）に、除霜能力や暖房
能力の向上に寄与するような動作は何らなされておら
ず、ただ四路切換弁２に対する均圧化処理を行っている
のみである。従って運転モードの切り替えに際しては、
上記停止期間の分だけ余分に時間が必要となり、そのた
めショック音の発生は防止できても暖房運転を停止する
時間が長くなって利用快適性が損なわれるという間題が
あった。

【０００６】この発明は上記従来の欠点を解決するため
になされたものであって、その目的は、運転モード切り
替え時におけるショック音の発生を防止しながら、利用
快適性を向上させることが可能なヒートポンプシステム
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１のヒート
ポンプシステムは、インバータ１２によって駆動される
駆動モータ１６を吐出冷媒流路に配置した圧縮機１と、
加熱運転と逆サイクルデフロスト運転とを切り替えるべ
く冷媒回路中の冷媒循環方向を切り替える切替手段２
と、上記インバータ１２を介して圧縮機１を制御し、ま
た切替手段２を制御する制御手段１４とを備え、加熱運
転と逆サイクルデフロスト運転とを切り替える際には所
定時間が経過するまで上記圧縮機１を停止させ、その後
に上記切替手段２を切り替えると共に圧縮機１を再起動
する制御を上記制御手段１４が行うヒートポンプシステ
ムにおいて、上記制御手段１４は、加熱運転から逆サイ
クルデフロスト運転への切り替えを行う際に、圧縮機１
を停止させる上記所定時間内において、上記駆動モータ
１６を回転させないよう通電してそのコイル４２、４
５、４６を発熱させる欠相加熱運転を行うよう構成し、
さらに上記制御手段（１４）は、逆サイクルデフロスト
運転中において、除霜能力が不足していると判断したと
きは、一定時間、上記欠相加熱運転を行って除霜能力を
向上させるよう構成していることを特徴としている。

【０００８】また請求項２のヒートポンプシステムは、
上記制御手段１４は、逆サイクルデフロスト運転から加
熱運転への切り替えを行う際に、圧縮機１を停止させる
上記所定時間内において、上記駆動モータ１６を回転さ
せないよう通電してそのコイル４２、４５、４６を発熱
させる欠相加熱運転を行うよう構成していることを特徴
としている。

【０００９】

【００１０】

【作用】上記請求項１のヒートポンプシステムでは、デ
フロスト運転への切り替えを行う際に、圧縮機１を停止
させる所定時間内において欠相加熱運転を行うようにし
ている。従って圧縮機１の停止中にも駆動モータ１６が
加熱されるので、この熱を吐出冷媒で回収することによ
って除霜能力を向上させることができる。そのため除霜
時間が短縮され、利用快適性を向上させることが可能と
なる。また、駆動モータ１６のコイル４２、４５、４６
を熱源としているので発熱効果が大きく、従って除霜能
力が向上して除霜時間を短縮することができ、そのため
利用快適性をさらに向上させることが可能となる。

【００１１】また請求項２のヒートポンプシステムで
は、加熱運転への切り替えを行う際に、圧縮機１を停止
させる所定時間内において欠相加熱運転を行うようにし
ている。従って加熱運転を開始するにあたり、加熱され
た駆動モータ１６の熱を吐出冷媒で回収することができ
るので、加熱運転の立ち上がりが速やかとなり、これに
よって利用快適性を向上させることが可能となる。

【００１２】

【００１３】

【実施例】次に、この発明のヒートポンプシステムの具
体的な実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明す
る。

【００１４】図１は、上記実施例として、この発明のヒ
ートポンプシステムをセパレート形空気調和機として構
成した場合の適用例を示すブロック図である。同図にお
いて１は、吐出冷媒流路に配置された駆動モータ１６と
圧縮機構２０とをひとつのケーシング内に備えた圧縮機
であり、その吐出配管１ａが四路切換弁（切替手段）２
のＡポート２ａに接続される一方、吸込配管１ｂがＣポ
ート２ｃに接続されている。そして上記四路切換弁２の
Ｂポート２ｂから順に、室内ファン８を備えた室内熱交
換器５、膨張弁４、室外ファン７を備えた室外熱交換器
３、四路切換弁２のＤポート２ｄが、冷媒配管６・・に
よって冷媒循環可能に接続されている。また上記圧縮機
１の駆動モータ１６は、商用電源１０に接続されたイン
バータ１２によって駆動制御される。このインバータ１
２は、コンバータ部１５、パワートランジスタモジュー
ル１７及びインバータ制御回路１８等から構成されたも
のであるが、その詳細については後述する。さらに同図
において１４は、ＣＰＵ、メモリ、タイマ、入出力イン
タフェース等を有するマイクロコンピュータを用いて構
成された制御装置（制御手段）である。この制御装置１
４は、サーミスタ９で検出された室外熱交換器温度ＴＨ
を入力とする一方、上記四路切換弁２の切り替え、及び
インバータ１２を介して圧縮機１の制御を行うものであ
る。

【００１５】図２は、上記インバータ１２の内部構成を
示す電気回路図である。同図において１５は、商用電源
１０（図１参照）からの交流を直流に変換するコンバー
タ部である。また１７は、Ｕ相コイル４２、Ｖ相コイル
４６、Ｗ相コイル４５を有する三相誘導電動機として構
成された駆動モータ１６を、上記直流に基づいて駆動す
るためのパワートランジスタモジュールであり、Ｕ相コ
イル４２に対するパワートランジスタＴｕ、Ｔｘ、Ｖ相
コイル４６に対するパワートランジスタＴｖ、Ｔｙ、及
びＷ相コイル４５に対するパワートランジスタＴｗ、Ｔ
ｚの合計６個のパワートランジスタと、各パワートラン
ジスタに対して並列に接続された６個の帰還ダイオード
１９・・とを備えている。さらに同図において１８は、
上記各パワートランジスタをＯＮ／ＯＦＦするインバー
タ制御回路である。このインバータ制御回路１８は、制
御装置１４からの三相運転指令と、室温センサ１１、運
転／停止スイッチ１３からの入力とに基づいて上記各パ
ワートランジスタをＯＮ／ＯＦＦし、そして駆動モータ
１６に三相交流を与えてこれを回転駆動する一方、制御
装置１４からの欠相運転指令に従って、駆動モータ１６
に二相交流を与えて後述する欠相加熱運転を行わせるよ
う構成されている。

【００１６】次に上記のように構成された空気調和機の
動作について説明する。暖房運転を行う場合には、制御
装置１４は四路切換弁２を図１に示す実線のように、す
なわちＡポート２ａとＢポート２ｂとが連通し、またＣ
ポート２ｃとＤポート２ｄとが連通するように制御し、
そしてインバータ１２のインバータ制御回路１８に三相
運転指令を出力する。インバータ制御回路１８はパワー
トランジスタモジュール１７を制御して駆動モータ１６
に三相交流を与え、これを駆動する。すると圧縮機１が
作動するので、冷媒回路中を冷媒が暖房サイクル（正サ
イクル）で循環し、室内熱交換器５が凝縮器として機能
すると共に室外熱交換器３が蒸発器として機能して、室
内の暖房が行われる（図３に示すＡ）。ところで上記の
ように室外熱交換器３は、暖房時には蒸発器として機能
するため外気からの吸熱を行うのであるが、外気温が低
いため、上記のようにこれに着霜を生じる場合がある。
そこでこの空気調和機では、上記着霜の有無をサーミス
タ１９で検出した室外熱交換器温度ＴＨを用いて判断し
ている。すなわち室外熱交換器温度ＴＨが所定の除霜運
転開始温度以下となったとき、制御装置１４は室外熱交
換器３の着霜量が除霜を要するものになっていると判断
し、次にデフロスト運転を開始するのである。

【００１７】デフロスト運転を開始するに際しては、上
記制御装置１４はインバータ制御回路１８に欠相運転指
令を出力する。するとインバータ制御回路１８は、この
欠相運転指令に従って、駆動モータ１６のＶ相コイル４
６とＷ相コイル４５とに同相（Ｖ相）の交流を与える。
従って駆動モータ１６には、Ｕ相コイル４２に与えられ
るＵ相と、Ｖ相コイル４６とＷ相コイル４５とに与えら
れるＶ相との二相交流が印加されることとなるのである
が、これは駆動時に与えられていた三相交流のうちＷ相
が欠相したものである。ところが駆動モータ１６は三相
誘導電動機であるから上記二相交流では回転駆動され
ず、従って各コイル４２、４５、４６に電流が流れるこ
とによってこれらのコイル４２、４５、４６がヒータの
機能を果たすこととなる。このように駆動モータ１６を
回転駆動せずに通電したコイル４２、４５、４６をヒー
タとして機能させる圧縮機１の運転を、ここでは欠相加
熱運転という。なおこの空気調和機ではＷ相を欠相させ
て欠相加熱運転を行っているが、これはＵ相あるいはＶ
相を欠相させることによって行うようにしてもよい。ま
た三相誘導電動機として構成した駆動モータ１６を用い
ているが、上記のような欠相加熱運転が行えるものであ
ればこれに限るものではなく、インバータ１２との関連
において他の構成の電動機を採用してもよい。

【００１８】上記のような欠相加熱運転を継続させてい
る間は、上記各コイル４２、４５、４６がヒータとして
機能するので駆動モータ１６が加熱される一方、圧縮機
１が停止しているため四路切換弁２の各ポート２ａ、２
ｂ、２ｃ、２ｄ間における高低圧差が次第に解消されて
均圧化される。そして上記欠相加熱運転を所定時間継続
して行うことによって四路切換弁２の均圧化と駆動モー
タ１６の十分な加熱とを図るのであるが、ここでは上記
所定時間として、約３０〜６０秒の間で十分な均圧化と
加熱とが達成できる時間を選択している（図３に示す
Ｂ）。そして上記所定時間経過後に、制御装置１４は四
路切換弁２を図１における破線のように切り替えると共
に、インバータ制御回路１８に三相運転指令を出力す
る。すると冷媒回路中を冷媒が逆サイクルで循環し、着
霜を生じた室外熱交換器３が凝縮器として機能すること
によって付着した霜を融解するようになる（同図に示す
Ｃ）。このとき四路切換弁２は十分な均圧化を図った後
に切り替えているので、耳障りなショック音が発生する
ことはない。そして吐出冷媒流路に配置された駆動モー
タ１６は、上記のようにこの均圧中に十分に加熱された
ものとなるが、この駆動モータ１６の熱量は、その周囲
を流通する吐出冷媒によって効果的に回収されることに
なる。従ってデフロスト運転開始直後から吐出冷媒温度
は十分に高温とすることができるので、除霜能力を向上
させてデフロスト運転時間を短縮し、これによって空調
快適性を向上させることができる。

【００１９】上記デフロスト運転を継続すると、付着し
た霜が除去されて室外熱交換器３の温度が上昇する。そ
こでサーミスタ９によって検出した室外熱交換器温度Ｔ
Ｈが所定の除霜運転解除温度に到達すると、制御装置１
４は暖房運転を再開する制御を行うことになる。そして
この暖房運転の再開に際しても，制御装置１４はインバ
ータ制御回路１８に欠相運転指令を出力する。すると上
記デフロスト運転開始の場合と同様に、圧縮機１に欠相
加熱運転をさせるようインバータ制御回路１８が作動す
る。この場合の欠相加熱運転も、約３０〜６０秒の間で
継続させている（図３に示すＤ）。そして上記所定時間
経過後に、制御装置１４は四路切換弁２を図１に示す実
線のように切り替えると共に、インバータ制御回路１８
に三相運転指令を出力し、再び暖房運転を開始する（同
図に示すＥ）。この場合においても、欠相加熱運転中に
四路切換弁２は均圧化されているので、その切り替え時
に耳障りなショック音が発生するのを回避できる。また
駆動モータ１６は十分に加熱されたものとなっている
が，この熱量は吐出冷媒によって効果的に回収すること
ができるので、暖房運転開始直後において吐出冷媒温度
を十分に温度の高いものとすることができ、従って暖房
運転の立ち上がりが速やかとなって空調快適性の向上を
図ることができる。

【００２０】また上記空気調和機においては、デフロス
ト運転中に圧縮機１の欠相加熱運転を行うことにより、
一層の除霜能力の向上を図ることができる。そこで次に
この制御について図６のフローチャートを用いて説明す
る。この空気調和機では上記のように四路切換弁２の各
ポート間の均圧化を行い、その切り替え時におけるショ
ック音の防止を図っているが、ステップＳ１では、現在
その均圧中であるか否かを判断する。均圧中であればス
テップＳ７へ飛び、そのまま欠相加熱運転を継続する。
一方、均圧中でない場合は暖房運転中かデフロスト運転
中かのいずれかであるので、これをステップＳ２で判断
する。ここで暖房中であると判断された場合にはステッ
プＳ８へ飛び、圧縮機１を三相交流で駆動してそのまま
暖房運転を継続する。一方、デフロスト運転中であると
判断された場合にはステップＳ３へと進み、除霜能力が
今以上に必要とされているか否かを判断する。この判断
は、サーミスタ９によって室外熱交換器温度ＴＨを検出
してデフロスト運転開始後における室外熱交換器温度Ｔ
Ｈの上昇率を算出し、この上昇率が基準値以下であると
きに除霜能力が不足していると判断することによって行
う。除霜能力が十分であれば、ここからステップＳ８に
飛び、圧縮機１を三相交流で駆動してデフロスト運転を
継続する。

【００２１】一方、除霜能力を上昇させることを要求さ
れた場合にはステップＳ４に進み、既に欠相加熱運転中
であるか否かを判断する。未だ欠相加熱運転を開始して
いない場合にはステップＳ５で制御装置１４に備えられ
たタイマをセットする一方、既に欠相加熱運転中である
場合にはステップＳ６へ進み、上記タイマをセットして
から一定の設定時間を計時し終えたか否かを判断する。
そして上記設定時間を経過した場合にはステップＳ８に
進んで通常のデフロスト運転を再開する一方、未だ設定
時間を経過していない場合にはステップＳ７に進んで欠
相加熱運転を継続する。なお上記設定時間の長さは、必
要とされる除霜能力に従って決定する。上記のような制
御では、従来の逆サイクルデフロスト運転に加えて駆動
モータ１６を熱源とする発熱効果の大きな運転を必要に
応じて行うことにより、除霜能力をさらに向上させて除
霜時間を短縮し、これによって空調快適性をより一層向
上させることができる。

【００２２】以上にこの発明の具体的な実施例について
説明したが、この発明は上記実施例に限定されるもので
はなく、この発明の範囲内で種々変更して実施すること
ができる。たとえば上記実施例では暖房運転とデフロス
ト運転とについて説明したが、デフロスト運転と同様の
逆サイクル運転によって、夏季等に冷房を行うようにし
てもよい。また上記実施例は空気調和機として構成した
が、その他給湯装置等にこの発明を適用することができ
る。

【００２３】

【発明の効果】上記請求項１のヒートポンプシステムで
は、デフロスト運転への切り替えを行う際に、圧縮機を
停止させる所定時間内において欠相加熱運転を行うよう
にしている。従って圧縮機の停止中にも駆動モータが加
熱されるので、この熱を吐出冷媒で回収することによっ
て除霜能力を向上させることができる。そのため除霜時
間が短縮され、利用快適性を向上させることが可能とな
る。また、駆動モータのコイルを熱源としているので発
熱効果が大きく、従って除霜能力が向上して除霜時間を
短縮することができ、そのため利用快適性をさらに向上
させることが可能となる。

【００２４】また請求項２のヒートポンプシステムで
は、加熱運転への切り替えを行う際に、圧縮機を停止さ
せる所定時間内において欠相加熱運転を行うようにして
いる。従って加熱運転を開始するにあたり、加熱された
駆動モータの熱を吐出冷媒で回収することができるの
で、加熱運転の立ち上がりが速やかとなり、これによっ
て利用快適性を向上させることが可能となる。

【００２５】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のヒートポンプシステムを、セパレー
ト形空気調和機として構成した実施例を示すブロック図
である。

【図２】上記実施例に備えられたインバータの電気回路
図である。

【図３】上記実施例の動作を示すタイムチャートであ
る。

【図４】従来例の空気調和機の動作を示すタイムチャー
トである。

【図５】四路切換弁の動作を示す断面図であり、（ａ）
は暖房運転時の状態を示し、（ｂ）はデフロスト運転時
の状態を示している。

【図６】除霜能力をさらに向上させるために行う上記実
施例の制御を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ２ 四路切換弁 １２ インバータ １４ 制御装置 １６ 駆動モータ ４２ Ｕ相コイル ４５ Ｗ相コイル ４６ Ｖ相コイル

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−114671（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−258964（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−105518（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 47/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インバータ（１２）によって駆動される
   駆動モータ（１６）を吐出冷媒流路に配置した圧縮機
   （１）と、加熱運転と逆サイクルデフロスト運転とを切
   り替えるべく冷媒回路中の冷媒循環方向を切り替える切
   替手段（２）と、上記インバータ（１２）を介して圧縮
   機（１）を制御し、また切替手段（２）を制御する制御
   手段（１４）とを備え、加熱運転と逆サイクルデフロス
   ト運転とを切り替える際には所定時間が経過するまで上
   記圧縮機（１）を停止させ、その後に上記切替手段
   （２）を切り替えると共に圧縮機（１）を再起動する制
   御を上記制御手段（１４）が行うヒートポンプシステム
   において、上記制御手段（１４）は、加熱運転から逆サ
   イクルデフロスト運転への切り替えを行う際に、圧縮機
   （１）を停止させる上記所定時間内において、上記駆動
   モータ（１６）を回転させないよう通電してそのコイル
   （４２）（４５）（４６）を発熱させる欠相加熱運転を
   行うよう構成し、さらに上記制御手段（１４）は、逆サ
   イクルデフロスト運転中において、除霜能力が不足して
   いると判断したときは、一定時間、上記欠相加熱運転を
   行って除霜能力を向上させるよう構成していることを特
   徴とするヒートポンプシステム。
2. 【請求項２】 上記制御手段（１４）は、逆サイクルデ
   フロスト運転から加熱運転への切り替えを行う際に、圧
   縮機（１）を停止させる上記所定時間内において、上記
   駆動モータ（１６）を回転させないよう通電してそのコ
   イル（４２）（４５）（４６）を発熱させる欠相加熱運
   転を行うよう構成していることを特徴とする請求項１の
   ヒートポンプシステム。